王國(guó)奪,樊廣燕,郭 然,丁 燕,陳 樂(lè)
(河南晉開(kāi)化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司,河南開(kāi)封 475003)
晉城 “三高”煤的特點(diǎn)是硫含量高、灰分高、灰熔點(diǎn)高,通常認(rèn)為是非經(jīng)濟(jì)性資源,實(shí)現(xiàn)晉城 “三高”煤的高效、潔凈化利用,不但可以解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,還可緩解優(yōu)質(zhì)煤的供應(yīng)壓力,又能提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與可持續(xù)發(fā)展能力[1]。航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)就是煤炭清潔、高效轉(zhuǎn)化的代表性技術(shù)之一。河南晉開(kāi)化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司2×600kt/a合成氨項(xiàng)目有2套航天爐粉煤加壓氣化裝置 (共4臺(tái)航天爐),設(shè)計(jì)以神木煤為原料,航天爐采用粉煤(干法)進(jìn)料、液態(tài)排渣的運(yùn)行方式,要求入爐煤的灰熔融性溫度在1500℃以下,而晉城 “三高”煤灰熔融性溫度高于1500℃,從而限制了其用作航天爐原料煤。為節(jié)約生產(chǎn)成本、拓展航天爐對(duì)其他煤種的適應(yīng)性 (適應(yīng)航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)液態(tài)排渣的需求),摸清晉城 “三高”煤對(duì)航天爐工況的影響因素和程度,我們開(kāi)展了晉城 “三高”煤用作航天爐原料煤的技術(shù)研究。工業(yè)上常采用添加助熔劑來(lái)降低煤灰熔融性溫度[2],以下對(duì)我公司開(kāi)展的晉城 “三高”煤添加石灰石助熔劑的試驗(yàn)研究情況進(jìn)行介紹與總結(jié)。
(1)儀器:101-2EBS干燥箱、KER-1箱式高溫爐、KER-100A制樣機(jī)、FA2004N天平、TQ-3碳?xì)湓胤治鰞x、SDTGA5000工業(yè)分析儀、DTG-60同步熱分析儀、高溫粘度儀等。
(2)煤種及助熔劑選擇:以晉城礦區(qū)趙莊礦 “三高”煤 (簡(jiǎn)稱(chēng)趙莊煤)和成莊礦 “三高”煤 (簡(jiǎn)稱(chēng)成莊煤)作為試驗(yàn)煤樣,助熔劑選用石灰石。
(3)煤樣的制備:煤樣使用小型制樣機(jī)磨制,經(jīng)篩分后粒度小于100目,然后分別將質(zhì)量比為0%、1%、2%、3%、4%、5%的石灰石加入到趙莊煤和成莊煤煤樣中,混合均勻,制得添加有石灰石助熔劑的煤樣。
(4)煤灰熔融性測(cè)定:常用的方法是角錐法,本研究依據(jù)角錐法 [遵循 《煤灰熔融性的測(cè)定方法》(GB/T219—1996)]進(jìn)行測(cè)定。
選用晉城礦區(qū)趙莊煤和成莊煤作為原料煤,以石灰石作為助熔劑,對(duì)煤灰熔融性溫度的變化情況進(jìn)行研究。其煤質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1,煤樣灰成分分析見(jiàn)表2,煤灰熔融性溫度見(jiàn)表3??梢钥闯觯黑w莊煤和成莊煤為中等固定碳、水分和揮發(fā)分很低、灰分較高的無(wú)煙煤;煤灰的主要成分為SiO2和 Al2O3(合計(jì)占比約85%),CaO和Fe2O3含量較低 (合計(jì)占比約8%),因此煤灰熔融性溫度較高,流動(dòng)溫度 (FT)高于1510℃,熔渣的粘度較大;按照 《煤灰流動(dòng)溫度 (FT)分級(jí)》(MT/T853.2—2000)劃分,趙莊煤和成莊煤煤灰都屬于高流動(dòng)溫度灰,不適應(yīng)航天爐液態(tài)排渣的需求。
表1 趙莊煤與成莊煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù) %
表2 趙莊煤與成莊煤灰成分分析數(shù)據(jù) %
表3 趙莊煤與成莊煤灰熔融性溫度 ℃
煤樣在添加不同比例的石灰石后,煤樣中石灰石的添加量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))與煤灰流動(dòng)溫度(FT)的關(guān)系如圖1所示。
圖1 助熔劑 (石灰石)對(duì)煤灰熔融性溫度的影響
由圖1可以看出:煤灰流動(dòng)溫度 (FT)隨著石灰石添加量的增加先降低后升高;當(dāng)石灰石添加量≤3%時(shí),其FT呈下降趨勢(shì),趙莊煤和成莊煤的FT分別降至1361℃和1373℃,這是由于石灰石在一定溫度下受熱分解,增加了煤樣中的CaO含量,CaO又與煤灰中的SiO2反應(yīng)生成低溫共熔物硅酸鹽,從而有效降低了煤灰熔融性溫度[3];當(dāng)石灰石添加量>3%時(shí),其FT反而上升,這是因?yàn)楫?dāng)煤灰中CaO含量過(guò)高時(shí),易形成高熔點(diǎn)的硅酸鈣 (CaSiO3)、假硅灰石(CaO·2SiO2)等,致使體系熔融溫度上升[4]。
考察趙莊煤、成莊煤及其添加3%石灰石后的灰渣粘溫特性,分別見(jiàn)圖2、圖3。
圖2 助熔劑對(duì)趙莊煤灰渣粘溫特性的影響
圖3 助熔劑對(duì)成莊煤灰渣粘溫特性的影響
由圖2、圖3可以看出:趙莊煤和成莊煤熔渣屬于結(jié)晶渣,其臨界溫度分別為1610℃和1627℃,所對(duì)應(yīng)的臨界粘度分別為35Pa·s和30Pa·s,爐溫低于熔渣臨界溫度時(shí),熔渣粘度迅速增大,不可能滿(mǎn)足航天爐液態(tài)排渣的要求;但當(dāng)在趙莊煤和成莊煤中添加3%的石灰石后,灰渣變?yōu)樗苄栽?,整體粘溫曲線向左 (低溫區(qū))偏移,粘度變化趨勢(shì)變緩,其臨界溫度降至1450℃,所對(duì)應(yīng)的粘度為25Pa·s,爐溫高于熔渣臨界溫度后,熔渣粘度下降,可滿(mǎn)足航天爐液態(tài)排渣的要求。
分別以原設(shè)計(jì)煤種神木煤和晉城 “三高”煤為原料 (添加3%的石灰石作為助熔劑)進(jìn)行航天爐粉煤加壓氣化裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4??梢钥闯觯簳x城 “三高”煤添加石灰石作為助熔劑后,其灰熔融性溫度得到有效降低,可滿(mǎn)足航天爐液態(tài)排渣的要求;與使用原設(shè)計(jì)煤種神木煤相比,雖然氣化裝置的工藝參數(shù)略遜,但神木煤的價(jià)格遠(yuǎn)高于晉城 “三高”煤,從綜合經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看,以晉城 “三高”煤為原料是有利于節(jié)約成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的,并且能保持航天爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
表4 航天爐氣化2種煤的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比
由于晉城礦區(qū)趙莊礦 “三高”煤和成莊礦“三高”煤煤灰熔融性溫度較高,不能滿(mǎn)足航天爐液態(tài)排渣的要求,通過(guò)添加一定比例的助熔劑——石灰石,可使其灰熔融性溫度降低;當(dāng)石灰石的添加量為3%時(shí),趙莊煤和成莊煤熔渣的臨界溫度降至1450℃以下,其粘溫曲線呈現(xiàn)塑性渣的特點(diǎn),可滿(mǎn)足航天爐液態(tài)排渣的要求,即晉城 “三高”煤通過(guò)添加適當(dāng)比例的助熔劑后可用作航天爐的氣化原料,能保證航天爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,不但可以節(jié)約生產(chǎn)成本、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,還打破了氣流床煤氣化工藝受煤種限制這一說(shuō)法,對(duì)氣流床煤氣化工藝煤種的選擇具有重要的借鑒意義。